박재영교수팀, 비접촉식 무전원 유연센서 개발

- 전하 발생과 트래핑 나노소재 이중층 기반 고성능 유연 마찰전기 나노발전기 개발 -

- 감염병 예방, 전자보안, 메타버스 시스템을 위한 비접촉식 무전원 유연센서 개발 -

- 국제 저명 학술지 와일리 출판의 어드밴스드 펑셔널 머트리얼즈에 표지논문 (IF:18.8) 게재 -

본교 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 실록신(Siloxene, 2차원 나노소재)·에코플렉서(Ecoflex, 부드러운 실리콘) 나노복합 소재와 이황화 몰리브덴(MoS2) 통합 레이저 유도 그래핀(Laser Induced Graphene) 소재를 적층하여 고성능을 갖는 비접촉식 마찰전기 나노발전기와 무전원 유연센서를 개발하는데 성공하였다.

<박재영 교수(좌)와 쿠마르 석박통합과정(우)>

현재 주요 에너지원으로 사용되고 있는 화석연료나 핵연료는 자원고갈, 환경오염 등 다양한 문제점을 갖고 있기 때문에, 자연이나 우리의 일상생활에서 버려지는 진동, 열, 태양 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술에 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 인체의 움직임, 바람, 진동 같은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 마찰전기 나노발전기는 웨어러블 의료/헬스케어 기기, 사물인터넷, 저전력 전자 디바이스 등 다양한 기기 및 산업분야에 친환경 에너지 발전소자 및 무전원 센서로써 활용이 기대되는 유망기술이다.

하지만, 접촉-분리 모드 혹은 슬라이딩 모드의 구동원리를 갖는 마찰전기 나노발전기는 동작시에 지속적인 마찰로 인해 신뢰성과 내구성, 그리고 성능이 저하되는 문제점이 있다. 본 연구팀은 실록신과 에코플렉스 소재를 합성하여 전기음성도와 전자 친화도가 높은 나노복합 소재를 새롭게 개발하였다. 이황화 몰리브덴을 코팅한 레이저 유도 그래핀 소재와 적층하여 이중 층 구조로 설계 및 제작함으로써 고성능의 비접촉식 유연 나노발전기를 성공적으로 제작하였다. 실록신·에코플렉서 나노복합 소재를 전하 발생 층으로, 이황화 몰리브덴(MoS2) 통합 레이저 유도 그래핀 소재를 전하 트래핑(Charge Trapping) 층으로 활용함으로써 접촉이 없이도 고출력을 갖는 유연 마찰전기 나노발전기를 제작하였다. 전하 트래핑 층은 전자가 전극으로 확산되는 것을 방지하고 전하 트랩에 잔류 전하를 트래핑하여 전하 유지를 증가시킴으로써 나노발전기의 출력을 크게 향상시킨다. 제작된 나노발전기의 피크 전력은 2배, 표면 전위는 4배 증가하였다.

비접촉식 유연 나노발전기는 손이 발전기에 접근하거나 발전기에서 분리될 때 전기 출력이 나타난다. 이격 거리가 클수록 출력 전압은 낮아지지만, 최대 14 cm 떨어진 지점에서도 물체를 감지하기에 충분한 전기신호 출력을 나타낸다. 또한, 연구팀은 제작된 나노발전기를 이용하여 비접촉식 손 세정제 시스템과 무선 동작제어 시스템을 설계 및 제작하여 성공적으로 시연하였다. 따라서 본 연구팀이 개발한 비접촉 유연 나노발전기는 전자피부, 휴먼-머신 인터페이스, 다양한 무전원 센서 등에 폭넓게 활용 및 응용될 수 있다. 또한 비접촉식 무전원 센서는 코로나-19 바이러스와 같은 감염병의 확산 예방과 터치패드 기반 전자인증시스템의 보안을 향상시키는데 크게 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(NRF-2020R1A2C2012820)의 지원을 받아 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 기능성 소재 및 소자 전문 저널인 와일리 (WILEY) 출판의 어드밴스드 펑셔널 머트리얼즈 (Advanced Functional Materials, IF: 18.8)에 표지논문으로 게재되었다. https://doi.org/10.1002/adfm.202270155